Устройство для акустического каротажа скважин

Устройство для акустического каротажа скважин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

36079I

ОП ИСАН ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Советских

Социалистических

Респтблик

Зависимый от патента ¹

M. Кл. Е 21b 47/00

G 01ч 1/40

Заявлено 15.1.1968 (№ 1210286/26-25)

Приоритет 11.П.1967, ¹ 609369, США

Опубликовано 28.Х1.1972. Бюллетень № 36

Комитет оо делам изобретеиий и открытий ори Совете Мииистрав

СССР

УДК 550.834:622.241 (088.8) Дата опубликования описания 18.01.1973

Автор изобретения

Иностранец

Джеймс Эдвард Уайт (Соединенные Штаты Америки) Иностранная фирма

«Маратон Ойл Компани» (Соединенные Штаты Америки) Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АКУСТИЧЕСКОГО КАРОТАЖА

СКВАЖИН

Изобретение относится к области промыслово-геофизического исследования скважин, в частности к устройствам для акустического каро тажа.

При акустическом каротаже в скважине генерируют акустические сигналы, которые проходят через пласты и принимаются в точке, удаленной от,передатчика. Зная расстояние между .излучателем и приемником и время, требуемое звуковому сигналу на прохождение этого пути, можно подсчитать скорость звука в пластах,,которая вместе с друпими показателями позволяет определить свойства этой формации, Аппаратура для,каротажа состоит из излучателей и приемников, установленных на некотором расстоянии друг от друга на корпусе скважинного снаряда, который опускают в буровую скважину, заполненную буровым раствором и другими жидкостями.

Звуковая энергия распространяется как в виде колебаний, имеющих волну сжатия, так и в виде сдвиговых колебаний, а скорость .каждого вида колебаний зависит от среды, в которой они распространяются. Таким образом, результатом генерирования ненаправленного акустического сигнала является сжатая форма волны в бурильном растворе н сдвиговая и сжатая формы в стенке скважины и окружающей среде, причем каждая форма волны имеет, различную скорость, Эти виды колебаний накладываются друг на друга в растворе, стенке и на границах раздела пластов.

Составная форма волны воспринимается приемником в виде сигнала сложной формы, поэтому трудно точно определить время поступления сигнала определенного вида, Цель изобретения — создание устройства для акустического каротажа с блоком излучения, генерирующим некоторую .пространст10 венную диаграмму или характеристику усилий, которые в свою очередь излучают в окружающую среду волновое поле в соответствии с заранее определенной структурой или диаграммой,направленности, и, следовательно, 15 повышение точности измерения и получение колебаний заданного типа.

Это достигается тем, что акустические преобразователи блока излучения размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси сква20 жины, на равных расстояниях друг от друга по периферии скважины, образуя симметричные .пары. Акустические преобразователи блока приема колебаний также расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси сква2S жины, на равных расстояниях друг от друга по периферии скважины.

Блок приема нечувствителен к волновым полям, имеющим указанную выше заранее определенную структуру ил и диаграмму рас30 пределения, поскольку эта структура суще360791

3 ствует в среде, симметричной относительно оси буровой скважины. Следовательно, оказывается возможным исключить или выделить все те эффекты и явления, которые имел и бы место, если окружающая среда была бы симмет,ричной.

Таким образом, основные принимаемые сигналы — это сигналы, обусловленные неоднородностями в окружающей среде. Поскольку именно эти неоднородности и представляют интерес для геофизика-исследователя, то в соответстви с предметом изобретения предусматривается обнаружение максимума интересующего сигнала с одновременным сведен ием до минимума обнаружения шума, поступающего непосредственно от излучателя к приемнику, Для опознавания или маркировки генерируемых волновых полей можно использовать большое число различных пространственных диаграмм распределения, .но применяемые .прои этом опознавательные признаки или характеристики следует выбирать таким образом, чтобы они не подвергались сильным искажениям и не подавались при прохождении волн через среду, окружающую буровую скваж ину, Диаграммы распределения, зависящие от времени, .например модуляция по частоте или по амплитуде, отнесенная ко времени, как правило, довольно сильно искажается при прохождении через окружающую среду, поэтому она не представляет существенного значения, Предпочтительными являются пространственно зависимые диаграммы распределения волн. Из них выбирается диаграмма распределения крутильных волн, генерируемых воздействующими усилиями, являющимися тангенциальными к сторонам буровой скважины в точках на противоположных сторонах скважины. Это можно осуществить либо механическим путем, т. е. с помощью вращающегося груза или целого ряда грузов, ударяющих по выступам на противоположных сторонах внутренней полости скважины, либо использованием пар надлежащим обр азом ориентированных датчиков.

При этом приемник может быть любого типа, например датчик инерционного движения, а количество приемников-излучателей не является критическим (предпочтительно четыре или большее число:каждого из них).

Изобретение предусматривает использова.ние излучателя волн с положительной симметрией относительно оси буровой скважины в комбинации с приемником волн, имеющим отрицательную (т. е. зеркальное отображение или противоположный алгебраический знак) симметрию относительно скважины или наоборот. Таким обр азом, если волновая диаграмма от излучателя состоит из сил, направленных радиально относительно удаления от буровой скважины, то приемник выдает электрический сигнал как результат реакции на силы, воздействующие .на первую точку приема и в точке приема, расположен- 6

4 ной прямо напротив (через ось) этой первой точки. Приемник выдает электрический сигнал, имеющий ту же самую амплитуду:и противоположную,полярность в случае, когда на

5 приемник воздействует такое же и так же направленное усилие, Это имеет место во всех парах противоположных точек в любом месте на чувствительных участках приемника.

10 Излучатель может иметь отрицательную симметрию, т. е. может создавать усилия, которые распространяются внутрь с одной стороны и наружу с другой или каким-то другим образом равны и противоположны с проти15 воположных сторон генератора, в то время как соответствующий приемник может тогда иметь положительную симметрию, .например, он выдает положительный электрический сигнал, когда на него воздействует усилие, на20 правленное в нутрь к скважине, и отрицательный электрический сигнал, .когда на него воздействует сила, направленная наружу от скважины .независимо от того, какие чувствительные участки детектора подвергаются воз25 действию.

Аналогичным образом, детекторы могут быть;различными и,выбираться с учетом,возможности обеспечения требуемой разрешающей способности,или требуемого опознавания

30 данной пространственной диаграммы волн, которая генерируется. Наиболее удобными для использования в случае крутильных волн являются квадранты цилиндра из титаната бария.

35 На фиг. 1 изображены излучатель и приемник в системе, работающей по принципу использования пространственной диаграммы распределения крутильных волн. На фиг. 2 а и б показаны две предпочтительные простран- .

40 ственные диаграммы волн (на фиг. 2,а — диаграмма распределения .крутильных волн, а на фиг. 2,б — пространственная диаграмма распределения вол и, имеющих одинаковые усилия, направленные наружу от буровой

45 скважины в точках, удаленных на одинаковых расстояниях друг от друга вокруг буровой скважины, На фиг. 3 представлен вариант прибора, в котором используются сегменты цилиндра из титаната бария для изготовле50 ния излучателя и приемника.

Устройство содержит скважи нный .прибор

1, работающий по принципу измерения отраженных сигналов, выполненный из длинной цилиндрической трубки или кожуха 2, под55 вешенного на тросе 8, Буровая скважина 4 заполнена буровым глинистым раствором или промывочной жидкостью. На корпусе установлены акустические преобразователи б и б, которые удерживаются кронштейнами 7, при0 водящим и эти преобразователи в прямой контакт со стенками буровой скважины при помощи прижимных пружин, размещенных внутри корпуса. Преобразователи касаются скважины только в одной точке через контактную

5 головку 8. Каждый из преобразователей

360791

5 включает в себя три датчика, расположенных перпендикулярно друг к другу. Преобразователи 5 образуют блок излучения, преобразователи б — блок приема, установленный на некотором расстоянии от блока излучения и электрически соединенный при помощи кабеля,с самописцем, .находящимся на .поверхности земли. Акустические преобразователи блока излучения генерируют волну 9, которая, отразившись от неоднородности 10, возвращается обратной волной 11. Преобразователи блоков излучения и приема могут быть выполнены в виде квадрантев 12 и 18 цилиндрического датчика. При этом скважинный прибор снабжают центрирующим приспособлением 14.

Во время работы, прибор для регистрации отраи4енн ых cKI налов (для,каротажа скважины), показанный,на фиг. 1, генерирует соответствующий сигнал при подаче соответствующих пусковых сигналов и питания на передающие преобразователи 5. На стенку скважи ны через контактные головки 8 передаются результирующие усилия, которые могут быть направлены горизонтально и тангенциально к скважине (см. фиг. 2,а), наружу от центра скважины (см. фиг. 2,б) или же эти усилия могут быть ориентированы каким-то другим подходящим способом, Таким образом, благодаря одновременной подаче пусковых сигналов выбранной амплитуды и полярности на каждый из элементов преобразователя в каждом блоке с тремя датчиками, можно точно определить вектор точечного усилия, генерируемого каждым датчиком. Относительное суммирование или взвешивание сигналов для всех элементов датчика, необходимое для получения таких векторов сил, можно произвести легко, это зависит от ориентации каждого блока датчиков в корпусе.

Диаграмма тангенциальных усилий, показанная на фиг. 2,а, действует таким образом, что эти усилия оказывают крутящее или врац;ающее воздействие на скважину и тем саMibIM выз ывают волну подвигающего усиления, которая распространяется через попал или образование. Поскольку диаграмма распределения усилий чисто тангенциальна и все векторы усилий действуют в одном и том же относительном направлении, т. е. в направлении по часовой стрелке, то не будет создаваться никаких сжимающих усилий, Так как эти силы действуют непосредственно на стенки скважины, а не передаются через промывочную жидкость, то фактическими не формируется никаких сильных сигналов, которые бы передавались этой промывочной жидкостью.

Однако относительно сильные волны могут передаваться либо вдоль обсадных труб, если эта буровая скважина обсажена, или через непосредственно прилегающее образование, окружающее буровую скважину. Эти большие усилия могут передаваться вниз к преобразователям блока приема сигнала.

6

Сигналы, которые передаются непосредственно от излучателя к приемнику, легко различаются используемыми преобразователями приема или способами комбинирования электрических сигналов, генерируемых различными электрическими датчиками в .преобразователях б.

Эта разрешающая способность и хорошее отношение сигнала (отраженных волн или эхо, которые представляют интерес при измерении отражений к шуму, т. е. к непосредственно передаваемым сигналам) достигаются за счет комбинирования электрических сигналов, создаваемых отдельными элементами датчиками детектора, таким образом чтобы можно было бы исключить пространственно зависимые, конфигурации волн такого типа, которые передаются непосредственно от излучателя к приемнику. Так, например, когда генерируется конфигурация (диаграмма) крутильных волн, изображенная на фиг, 2,а, выходные сигналы с преобразователей б комбинипуются путем вычитания дптл из лп га сигналов, детектируемых ппотивоположными элементами. Этот ппоцесс отобпажен в виле нижних кпужков, показанных на фиг. 2,а и б.

На Фиг. 2,а пунктирными стрелками казаны составляюгцие или компоненты движения, котопые после их восприятия детектопами лают положительный электпический сигнал íà Bblхоле ппеобразователей блока приема. Стпелки кпчжка, относящегося к приему, на Фиг.

2,а и б ориентированы относительно стрелок, относящихся к излучению, таким образом, чтобы в случае, когла волны, имеющие конфигурацию, показаннчю в крлкке, относящемся к изл 7чению, пепелаются ппямо вниз вдоль бчровой скважины или влоль окп жающего пополообразования (впашением в ст чае фиг, 2,а или внешним расширением скважины в случае Фиг. 2,б), соответствт.ющие ппеобпазователи Фиксиповали нчлевой электпический выходной сигнал при ппиеме волн таких конфиг паций. КотнЪигурация ппиема согласно фиг. 2,б может быть также использована в комбит-;анин с изл чением согласно

Фиг. 2.а, а ппием Фиг. 2.а хоротпо сочетается с излучением, отображенным на фиг 2,б.

Важно выбирать такие размещения или конфигурации приемников, которые позволяют опознавать волны, принятые непосредственно от излучателя, и определять волны, которые принимаются от отражений, вызываемых неоднородностями или отсутствием симметрии в окружающем поролообразовании.

На фпг. 1 схематически иллюстрируется волна, распространяющаяся от преобразователей

5 и отражающаяся обратно от неодноролной поверхности или от других геологических чеоднорочностей в направлении к преобразователю б. Неоднородная поверхность может находиться на некотором значительном расстоянии, т. е. на расстоянии нескольких метров, от скважины, 360791

I5

Возвращающаяся или обратная волна 11 отличается от волн, распространяющихся прямо от преобразователя 5 излучения к преобразователям б пр иема. Это особенно важно, поскольку практически никогда не бывает идентичным неоднородностей на точно .противоположных сторонах скважины и волна 11 не сопровождается равной и противоположной волной (или усилием), в то время как все волны, движущиеся непосредственно между излучателем и приемником, в любом случае состоят из .конф игур аций или р аспределени и усилий и каждое усилие сопровождается равным и противоположным усилием на другой стороне скважины.

Так, например, на фиг. 3 показан вариант прибора, в котором преобразователи б выполнены из титаната бария в виде квадрантов 13 цилиндра. Эти преобразователи принимают сигналы через буровой глинистый раствор и передают их по кабелю на поверхность для последующей записи самописцем. Этот приемник может быть использован с излучателем, изображенным на фиг, 1, когда следует генерировать .кругильные волны типа, показанного на фиг. 2,а, поскольку буровой глинистый раствор действует как механический подавитель или ослабитель, препятствующий крутильным волнам достигнуть .преобразователей. Таким образом, может быть использована как механическая так и электрическая .комбинация.

На фиг. 3 в приборе для регистрации отраженного сигнала используются аналогичные квадранты из кристаллов титаната бария, которые действуют как излучатели вместо ппеобразователей 5 блока излучения согласно фиг. 1. В результате получается удобный измерительный прибор для записи отраженных сигналов, который не требует соприкосновения со скважиной и поэтому может легко подниматься и опускаться. Правда в данном случае используют центрирующее приспособление для удержания прибора в положении, соосном со скважиной.

Излучатель, изображенный на фиг. 3, не может генерировать пространственную конфигурацию волн, показанную на фиг. 2,а, но он оказывается весьма удовлетворительным при работе с волнами, имеющими пространственную конфигурацию нли распределение, представленное на фиг. 2,6, и с другими различными конфигурациями, которые приходиться выбирать в соответствии с конкретными геологическими условиями.

Устраняя основной источник помех, а именно прямую передачу сигналов между излучателем и приемником, предлагаемое устройство обеспечивает обнаружение и изучение отраженных сигналов, имеющих очень небольшую амплитуду. Поскольку совершенно однородные образования не вызывают отражения сигналов и только отраженные сигналы детектируются (обнаруживаются) с помощью предлагаемых способов, то приему подвергаются только те сигналы, которые достаточно показательно характеризуют неоднородности в породе.

Возможны и другие различные конфигурации волн, при этом получают максимум янформации, благодаря генерированию серии различных .конфигураций или распределений волн путем изменения в каждом конкретном случае размещения датчиков таким образом, чтобы они не могли принимать генерируемые в дакный момент волны соответствующего пространственного распределения.

Предлагаемое устройство может найти применение и при других способах сейсмографических исследований я каротажа буровых скважин, можно изменять расстояние между излучателем и приемником, отдельно записывать сигналы от каждого датчика детекторного блока с последующим их суммированием вычислительной машиной, при этом могут быть использованы также и волны переменной частоты и т. д.

Предмет изобретения

1. Устройство для акустического каротажа скважин, содержащее скважинный прибор с блоком излучения и блоком приема акустических сигналов, размещенными на некотором расстоянии-друг от друга вдоль оси скважины, и регистрирующий прибор, отличающееся тем. что, с целью получения заданного типа колебаний, акустические преобразователи блока излучения размещены попарно симметрично относительно оси скважины на равных расстояниях один от другого по,перифер ии скважины н расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси скважины, а акустические преобразователи блока приема также размещены попарно симметрично относительно оси скважины на равных расстояниях один от другого по .периферии скважины и расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси скважины.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что акустические преобразователи выполнены точечными.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что акустические преобразователи выполнены в виде квадрантов цилиндрического датчика.